0 引 言

随着中国海洋石油勘探开发向深海发展，深水平台在海洋工程开发中倍受重视。张力腿平台(Tension Leg Platform，TLP平台)作为深水平台的重要结构形式之一，集中体现了深水工程的特点。而模块钻机近年来在固定平台上得到了广泛应用。如何使模块钻机适应TLP平台的操作要求，结构设计满足在TLP平台运动特性下的设计要求成为深水开发关键。笔者针对国内第1个TLP开发方案，即流花油田项目的FEED设计阶段，给出结构设计校核结果，以期为未来类似的TLP模块钻机结构设计提供借鉴^[1]。

1 模块钻机结构设计基础条件及原则 1.1 基础条件

流花油田TLP平台^[2]共设12口井槽，井槽排列为4行3列，井口间距为4.5 m×4.5 m。该平台配置1台钩载3 150 kN海洋模块钻机。该模块钻机由DES(Drilling Equipment Set)模块、DSM(Drilling Support Module)模块、P-TANK模块和固井单元组成，设计寿命20 a，满足API 4F规定。在位工况按照操作、不可预期和可预期进行计算校核，水平和垂直运动加速度均由浮体和组块相关专业计算后提供。

鉴于最近几年世界各海域强台风对海上结构物破坏事故频发，国际上普遍对设计风速的标准有所提高。近年来我国南海一些海洋结构也有选择性地提高了设计标准。针对TLP平台的运动特性，结合国内外设计经验和经济性安全性的考量，最终对模块钻机计算校核的操作工况选择10 a重现期季风工况，可预期工况选择10 a重现期台风工况，不可预期工况选择100 a重现期台风工况,同时考虑1 000 a重现期下台风工况的模块钻机支点反力，供TLP计算整体生存工况^[3-5]。

1.2 主要原则

海洋平台模块钻机的结构设计应符合API、AISC、ABS、CCS以及中海油企业标准等相应的规范。根据中国南海海域的环境特点，模块钻机结构强度、刚度以及稳定性的校核采用工作应力法。

结构材料的选取既应符合钻机功能要求，又应满足工作环境要求。考虑到建造与运输条件的限制，所用的钢材应尽量选择符合相关标准的产品。对于主要节点及重要的吊点主板应采用Z向性能钢材，同时，项目中的结构型材种类不应过多，以减少采办和建造工作量。

结构总体设计应符合传力路径短、材料利用率高并满足其他专业对结构形式的要求。主要采用SACS和ANSYS等软件对钻机进行计算分析，在设计时应着重进行优化，通过提升材料的利用率减轻结构质量，尽量使结构兼顾安全性和经济性。

2 TLP平台模块钻机结构设计特点

(1) DES钻台面和井架设计不同于固定平台，TLP平台模块钻机需考虑TLP平台的特殊运动响应、加速度及系数，同时应满足TLP平台立管进出井口区域的操作要求，因此流花油田平台钻机采用塔式井架，底部跨距为9.144 m×9.144 m，高度大于46 m，保证立管和钻杆的操作空间，强度应满足钻井载荷和环境要求。TLP平台钻机钻台面高程设计主要应考虑分流器、伸缩节的冲程和BOP短节等的影响，因此TLP钻台面高程应高于固定平台钻机钻台面2~3 m。此外，钻台面与DSM顶层管子堆场的高程差同样会影响到猫道的设计，这也是TLP模块钻机结构设计的一大特点。

(2) DES下底座。由于立管的运动特性，如果按常规固定平台钻机设计，则立管会与BOP试压小平台干涉；模块钻机结构紧凑，故BOP试压小平台无法按常规设计在内部试压，因此需将BOP放在钻机外侧试压，这就产生了如何安全有效移运BOP，使其可完成试压后进入井口操作的问题。为此，在钻机下底座底层甲板增加BOP移运小车，将其与BOP吊车配合，完成BOP试压后的移运及在各井口范围内的吊装移运。移运小车可同时进行采油树运移、下放及转向，张紧器运移、维修及安装等工作，从而提高钻井和生产效率。

(3) 在DSM设计中，主要考虑顶层管子堆场对钻机管子处理系统的影响。立管在DSM顶层管子堆场的储存要求较高，因此DSM顶层管子堆场比固定平台同等级钻机强度高、面积大。

(4) 为满足TLP平台立管安装要求，考虑将传统斜猫道方案改为“水平猫道+折臂吊”方案。

(5) TLP平台模块钻机在各井位操作时的载荷对平台和船体的设计有极大影响,且对质量增加非常敏感，模块钻机质量每增加1.0 t，船体的排水量即增加2.5~3.0 t。而排水量增加又会影响TLP平台整体的规模和造价，乃至增加安全风险。因此浮式平台模块钻机的质量控制比固定平台更严苛，且应与组块和船体的质量控制同时开展^[6]。

3 模块钻机整体结构设计

鉴于TLP平台的运动特性，TLP平台模块钻机结构设计时需考虑水平运动加速度(X和Y方向)和垂直运动加速度(Z方向)，该加速度由组块和浮体设计相关专业提供。因此计算中需考虑响应加速度影响下的操作、不可预期和可预期工况。

用SACS软件分别建立井架、钻台面和下移动底座的模型，再根据不同井位，选用分模型进行组合，对在位、湿拖、干拖和吊装等工况进行整体分析^[7]。DES模块的在位分析模型见图 1。

DSM模块无发电机，共设3层甲板,底层为钻井液处理甲板，主要设置钻井泵和钻液井罐。中层为电控甲板，主要设置变压器室和电控室。顶层为管子堆场甲板，主要放置钻杆和立管等。同样，DSM模块结构设计时也用SACS软件建立了整体模型，对在位、湿拖、干拖和吊装等工况进行整体分析。DSM模块的在位分析模型见图 2。

FEED阶段DES模块和DSM模块主要结构杆件最大名义应力比分别如表 1和表 2所示

由上述分析可知，TLP模块钻机各位置大梁均能满足强度要求，控制工况为在位及吊装工况，主结构规格较固定平台大，由于质量控制严格，各梁利用率较高，在安全的前提下强度冗余度较低。

4 水平猫道结构设计 4.1 猫道形式方案比选

猫道的主要作用是将管子堆场上的管子运移至钻台面上，其工作效率直接影响模块钻机钻完井作业时的时效性和安全性；TLP平台更要考虑多次立管连接作业和下放作业，因此猫道形式直接影响TLP模块钻机的生产效率。

国际上常用的猫道形式有3种，即斜猫道、举升猫道和水平猫道，如图 3所示。

斜猫道是目前国内海洋固定式平台钻机常用的猫道形式，自动化程度较低，人工参与作业较多。在与TLP操作相似的半潜船上也曾使用“斜猫道+立管悬挂”的连接方式，即利用平台吊机将立管吊至半空中，在V门附近多人手动牵引，采用分部连接和分部拆卸的方式，存在安全隐患。流花油田 TLP平台一口井的作业可能需要约100次立管连接作业，包括约30次钻井立管下放、30次钻井立管上提及40次生产立管下放，在理想状态下作业共要完成1 200次高空悬挂吊装，而且每次吊装均涉及人力牵引连接。因此按此方案执行将大大影响钻井作业时效，并带来安全隐患。

举升猫道是陆地钻机较为常用的一种自动化设备，它利用液压缸将猫道整体举升，同时猫道端部滑动块顶推配合完成钻杆的提升作业。但是，该猫道形式在海洋钻机上缺少应用。

水平猫道是国际上大多TLP平台采用的猫道形式，拥有较为成熟的设计和实际应用案例。该猫道对自动管子系统适应性较强，具有解决水平连接、钻杆立管提升、物资输送和自动化作业需求等功能，其操作效率得到了国外大多数平台的验证。中海油南海九号及COSL981半潜式钻井船上均已经引进该猫道技术，并实现安全作业。一般采用全自动化管子处理系统或者“水平猫道+折臂吊”的方案，综合考虑经济性和安全性，流花油田最终选用“水平猫道+折臂吊”方案^[8-9]。

4.2 水平猫道计算校核

流花油田TLP平台模块钻机水平猫道长16.25 m，位于钻台面西侧，与钻台面刚性连接，随钻台面一起移动，由管子运移设备和其支撑结构组成。结构校核时可以将水平猫道简化为悬臂梁，因此其根部受力较大，而盲目增加梁规格又会增加质量，不利于结构强度和质量控制。因此，在结构设计时，需要注意强度和质量的平衡点，提高大梁使用效率。经反复验证，最终选择PG600的焊接梁作为水平猫道根部结构与钻台面连接，最大名义应力比为0.95，选择H250X250的H型钢作为次要结构，最大名义应力比为0.77，综合结构效率较高。此外，猫道的整体变形也是影响其安全性的重要指标，经计算，水平猫道最大变形出现在端部，为9.2 cm，小于最大允许变形10.8 cm。

5 结束语

针对国内第1个TLP开发方案，即流花油田项目的FEED设计阶段，笔者使用SACS软件对钻机的DES模块和DSM模块的各种工况进行结构设计校核，重点关注运动加速度对模块钻机结构的影响。此外，结合张力腿平台的操作需求，对3种猫道形式进行比选，确定使用水平猫道的方案。通过对水平猫道进行计算校核，最终选择PG600的焊接梁作为水平猫道根部结构与钻台面连接，其最大名义应力比为0.95；选择H250X250的H型钢作为次要结构，其最大名义应力比为0.77，综合结构效率较高；水平猫道最大变形出现在端部，为9.2 cm，小于最大允许变形10.8 cm，说明其结构可以满足设计要求。研究结果可为浮式平台模块钻机的设计研发提供参考。